Ecole Doctorale

SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique

Spécialité

Sciences pour l'ingénieur : spécialité Energétique

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Feu de nappe,mélanges n-heptane/toluène,expériences,perte de masse,température,suie,

Keywords

pool fire,n-heptane/toluene blends,experiments,burning rate,temperature,soot,

Titre de thèse

Caractérisation expérimentale des transferts de chaleur et de la combustion de feux de nappes chargés en suie à l'échelle du laboratoire
Experimental thermal and burning characterisation of lab-scale sooting pool fires

Date

Wednesday 27 September 2023 à 14:00

Adresse

EDF – R&D Département Mécanique des Fluides, Energies et Environnement (MFEE) 6, quai Watier - BP 49 78401 Chatou CEDEX Amphi H

Jury

Directeur de these M. Jean-Louis CONSALVI Aix-Marseille Université
Rapporteur M. Guillaume LEGROS Université d'Orléans
Rapporteur M. Albert SIMEONI Worcester Polytechnic Institute
Examinateur M. Jérôme YON INSA Rouen
Examinateur M. Fengshan LIU NRC Canada
Président Mme Cherifa ABID Aix-Marseille Université
Examinateur Mme Fatiha NMIRA EDF R&D Chatou
Co-encadrant de these M. Sébastien THION EDF R&D

Résumé de la thèse

Le principal objectif de cette étude est de développer une métrologie exhaustive pour caractériser la combustion et la dynamique des feux de nappe en termes de géométrie de flamme, de fréquence de pulsation, de débit de pyrolyse, de puissance réelle de flamme, de transfert de chaleur vers l’environnement incluant la rétroaction à la surface du combustible liquide, et des statistiques de température et de fraction volumique de suie. Les techniques de mesure spécifiques développées au cours de ce travail comprennent une calorimétrie basée sur la consommation du dioxyde de carbone pour déterminer la puissance de flamme réelle, une procédure expérimentale pour déterminer le retour de chaleur total à la surface du combustible, une procedure expérimentale pour déterminer la perte radiative vers l’environnement, des mesures par extinction laser pour obtenir la fraction volumique moyenne de la suie et une technique à deux thermocouples pour extraire les statistiques en température. Ces techniques ont été appliquées et validées pour caractériser complètement le com- portement de feux de nappe bien contrôlés à l’échelle du laboratoire de diamètres 15 cm et 30 cm en vue de leur modélisation numérique. Une grande attention a été portée dans la conception du brûleur pour assurer une maitrise des conditions aux limites et garantir une combustion stationnaire, bien contrôlée, et reproductible. Dans ces expériences, l’heptane a été utilisé comme carburant de référence et deux autres mélanges heptane/toluène avec des concentrations volumiques de toluène de 5% et 10 % ont été considérés pour augmenter la propension du carburant à pro- duire des suies. Les résultats expérimentaux montrent que l’ajout de toluene entraîne une augmentation significative de la production de la suie. La perte radiative vers l’environnement ainsi que le flux rétrocédé à la surface du combustible sont égale- ment considérablement accrus. Cette augmentation s’accompagne d’une réduction significative de l’efficacité de la combustion, suggérant l’apparition de phénomènes d’extinction radiative. A l’opposé, l’impact sur les statistiques de température s’avère mineur. D’autre part, l’augmentation du diamètre de la source de 15 cm à 30 cm augmente la perte de masse de 25% dans le cas de flammes d’heptane alors que, pour les mêmes hauteurs normalisées par le diamètre de la source, des distributions radiales similaires en fraction volumique de suie et en température sont observées pour les deux diamètres.

Thesis resume

The objective of this study is to develop an exhaustive metrology to characterise the burning and dynamics characteristics of liquid pool fires in terms of flame geometry, puffing frequency, burning rate, actual heat release rate, heat transfer to the surround- ings including feedback to the fuel surface, and temperature and soot volume fraction statistics. The specific measurement techniques developed during the course of this work include calorimetry from carbon dioxide consumption to determine the actual heat release rate and the combustion efficiency, an experimental design to determine the total heat feedback to the fuel surface, an experimental design to determine the radiative loss to the surroundings, an optical technique based on laser extinction to obtain mean soot volume fraction and a dual thermocouple technique to extract the temperature statistics. These techniques are applied and validated to fully character- ize the burning behaviour of well-controlled lab-scale liquid pool fires of diameters 15 cm and 30 cm in view of numerical simulations. Great attention is paid to the design of the burner to ensure well-controlled boundary conditions and to guarantee station- ary, well-controlled, and reproducible combustion. In these experiments heptane is used as reference fuel and two other heptane/toluene blends with toluene volume concentrations of 5% and 10 % are considered to increase the fuel sooting propensity. The experimental results show that, in the case of the 15 cm pool, the addition of toluene results in a significant enhancement of soot production with the peak of mean soot volume fraction increasing from 0.62 ppm to 1.11 ppm as the heptane doping increased up to 10%. Radiative loss to the surroundings and total heat feedback to the fuel surface are also significantly enhanced. This is accompanied by a significant reduction in combustion efficiency, which suggests the appearance of radiative ex- tinction events. In an opposite way, the impact on the temperature statistics is low. On the other hand, increasing the pool diameter from 15 cm to 30 cm in the case of heptane, increases the burning rate by 25% whereas, for same heights normalized by the pool diameter, similar radial distributions of mean soot volume fraction and mean and fluctuating temperature distributions are observed for the two pool diameters.